矿井扩频测距定位方法研究

发布时间：2020-08-22 12:23

【摘要】：矿井人员定位系统是煤矿安全避险“六大系统”之一,矿井人员定位方法的研究和应用,对煤矿安全生产和应急救援具有重要意义。矿井无线电定位是一项系统工程,本文总体的研究思路是以研究适应矿井巷道特征的目标定位方法为核心,以研究扩频测距技术为保障,以研究通信定位一体化方案为支撑,运用理论分析和仿真实验的方法对矿井定位的测距机制、定位算法等各个环节进行了研究。测距是无线定位的根本。研究直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)测距基本原理,分析了其在井下应用的局限性。伪随机(Pseudo-Noise,PN)码捕获时间长,扩频信号需要高带宽信道,井下多径效应还会引起PN码相位延迟,因而使得DSSS测距技术难以在煤矿井下应用。为了将直接序列扩频测距技术应用于井下,设计了一种并行的PN码同步精测算法,利用FPGA高速的并行处理能力,开辟L-1条相位彼此相差一个PN码片的相关通道,在各相关通道中分别对扩频码调制的数字基带信号相关运算后进行高频率采样,大幅度提高了信号处理带宽,能够在粗同步的基础上直接得到更高的时间分辨率。随后对此方法进行了仿真。仿真结果显示,该方法性能优于传统的PN码跟踪环路精测技术。由于测距精度决定定位精度,线性调频扩频(Chirp Spread Spectrum,CSS)技术在测距领域应用广泛,本文更进一步地研究了CSS在井下测距的特性,提出了一种专门针对CSS测距行为的测距模型,模型关注的是CSS信号接收端的统计规律,因而简单有效地以瑞利信道描述CSS信号在矿井的传播特性,同时提炼出能够体现巷道特征并能体现多径时延的面积影响因子,确定所能接收的最小功率的多径信号,将它们合理地拟合到IEEE802.11任务组所提出的多径信号功率延迟分布指数模型中,通过指数模型描述各条不同路径信号;根据CSS测距原理,在接收端建立了矿井环境下的CSS测距模型。通过大量实测试验,所建立测距模型的统计特性与实测数据基本匹配,能准确刻画密集多径环境下接收端的CSS测距统计规律。利用所建立模型进行分析,得出了关于井下巷道CSS测距一些有价值的结论,并给出了煤矿井下CSS测距误差的一个简明数学表达式。研究了井下长直巷道的特点,紧贴巷道实际,提出了巷道定位算法设计的三条原则:提高定位精度;紧贴矿井巷道实际环境,充分利用巷道信息;性价比优化。在此基础上,提出一种测距平面约束下投影巷道空间的定位方法,方法以巷道延伸方向为x轴,巷道宽方向为y轴,建立测距平面,采用向x方向投影实现移动目标的一维定位,并充分利用y方向的冗余信息对定位目标点在测距平面上加以约束以使得x方向的估计值向真实值趋近,同时测距偏移误差转移到定位目标点的y方向,显著优化了x方向的定位精度。通过实验验证,该方法定位均方根误差在1 m以下,在巷道方向上可获得零均值误差的定位估计值,实现长直巷道下目标精确定位。利用CSS测距模型研究了井下巷道扩频测距偏差特性,发现非视距信号(Non-Line-Of-Sight,NLOS)与视距信号在接收端有相似的时延统计规律,据此,提出了一种适用于弯曲巷道的基于测距值二次重构的定位方法,由于矿井巷道的位置、走向是已知的,为巷道内移动目标的位置估计带来了许多有利的空间约束,因此,方法充分利用了巷道的位置信息,首先对弯曲巷道的NLOS测距值进行第一次重构以获得移动目标与相应基站直线距离的估计值,利用此重构值建立观测方程;接着第二次重构将观测方程的解点投影到巷道空间,获得位置估计点;最后,设计卡尔曼滤波器进一步优化位置估计点的定位精度,从而实现在更为一般的曲线巷道下的定位。仿真结果表明,方法在平均曲率为0~0.30的弯曲巷道中具有较为理想的定位精度;进而在平均曲率为0.192的某地铁人行弯曲通道所做的实测实验显示,方法定位均方根误差为0.891 m,误差累积分布理想,适用于井下人员精确定位。按煤矿信息化与智能化的要求,研究了WiFi平台集成TOA精确定位功能的方法,针对WiFi基本没有精确测距功能的现状,提出一种对WiFi信号进行二次扩频以获得高时间分辨率的TOA测距方法。利用已有的WiFi平台,采用了DSSS-DSSS结合的信号新体制,在不影响原有WiFi系统正常工作情况下,扩频复用WiFi信号,提高WiFi信号码速,并利用FPGA设计的高速数字匹配滤波器扩频码捕获算法,能够在亚码片级上对WiFi移动站发出的测距信号进行捕获,进而得到高分辨率的信号传播时延。实验结果表明,本文提出的方法测距误差均值在2m以内,接近802.15.4a协议的CSS测距性能。在上述方法的支撑下,提出了无缝对接现有WiFi通信平台的方案,在煤矿WiFi平台上给出了建立了人员定位和通信联络一体化的系统的方法。本文的创新性工作主要体现在以下五个方面:(1)首次给出了井下巷道的CSS测距模型。利用所建立模型进行分析,得出了关于井下巷道CSS测距一些有价值的结论,比如非视距情况下的测距误差特性、巷道截面面积与测距误差的关系等等,并归纳给出了井下环境的CSS测距误差简明的数学表达式。这对于研究矿井巷道环境下的CSS测距精度提供了理论依据及可行的仿真平台,对定位方法的研究以及基于TOA测距的高精度定位系统设计具有理论指导意义。(2)提出统一井下巷道NLOS和LOS定位场景的思想,并在此思想指导下,解决了弯曲巷道下的目标定位的难题。提出了一种适用于弯曲巷道的基于测距值二次重构的定位方法,方法充分利用了巷道的位置信息,在统一井下巷道NLOS和LOS定位场景的基础上,实现了在更为一般的曲线巷道下的目标定位。相比现有的矿井定位方法,具有更大的普适性。NLOS信号一方面会影响测距精度,另一方面它与LOS信号在接收端的时延统计规律是相似的,同样蕴含有可用的测距信息。统一井下巷道NLOS和LOS定位场景的思想,为定位方法能够在更为复杂的环境下应用开启了一种新思路。(3)提出测距平面约束下抑制测距误差的长直巷道定位方法。由于矿井巷道是狭长链状的,可以忽略定位目标在巷道内横截面上的信息,方法在实现目标的一维定位的同时,创造性地利用y方向的冗余信息对定位目标点在测距平面上加以约束以使得x方向的估计值向真实值趋近,显著优化了x方向的定位精度。方法实现仅需要2个定位基站参与,降低了TOA定位系统的硬件要求。特别适用于煤矿长直空间的定位。所设计的方法完全遵循设计的三条原则,方法设计的思想值得借鉴。(4)提出了一种无需精同步的煤矿井下直接序列扩频精确测距方法所设计的并行的PN码同步精测算法,能够高效解决扩频码同步问题,无需另行设计PN码跟踪环路,降低了系统设计的复杂度。能为煤矿井下精确定位系统提供一种可靠的测距技术支持。(5)提出了一种可行的通信系统和TOA定位系统二合一的WiFi解决方案。统一井下各无线系统是一个具有挑战性的问题。本文在现有的WiFi平台上,采用DSSS-DSSS结合的信号新体制,在不影响原有WiFi系统正常工作情况下,扩频复用WiFi信号,提高WiFi信号码速,在赋与WiFi系统TOA精确测距能力的同时,能无缝对接现有的矿井WiFi通信平台,所给出的方案对于在煤矿WiFi平台上建立人员定位和通信联络一体化的系统具有指导意义。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92
【图文】：

轨迹图,历史活动,人员,监控系统

式只能实现区域定位：当佩戴 TAG 的人员或设备经过 Reader 时，Reader 会获得该TAG 的信息，并判断该 TAG 处在自己周围的区域内，但并不知晓该 TAG 距自身的距离，仅仅能实现一个大概范围的定位。图 1.2 显示的是西新源煤矿的人员监控管理系统[54]人员历史活动轨迹界面：图 1.2 KJ90 人员监控系统历史活动轨迹监控Fig.1.2 KJ90 monitoring system track schematic diagram从图 1.2 中可以看出，井下人员活动轨迹只能得到所定位人员大致在哪个区域，经过了哪个 RFID 读头，例如，9:11:00 到 11:33:00 这段时间内，只能查到白志伟在 12209 尾巷，但并不能知晓该人员在 12209 尾巷的具体位置。该类系统实际上是一种考勤记录系统，没有精确定位功能。综上述，我国煤矿实际应用的人员定位系统大多数所实现的是区域定位，在实际应用中实现对井下人员精确定位与跟踪技术

原理图,无线定位,原理图,移动节点

前应用实际的，因此本文研究重点在于 range-based 的定位机制，后说明，一律指 range-based 的定位机制。无线定位思想是通过所接收从中获取移动节点与定位基站（亦可是信标节点、锚节点）间的距位基站已知的位置信息，通过一定的定位算法，得到移动节点的位估计即为移动节点的定位结果。其过程如图 2.1 所示

无线定位,红外线,无线信号,理想条件

Fig.2.2 Basic structure of wireless positioning2.2 常用的测距无线信号2.2.1 红外线红外线（Infrared Ray，IR）本质上是电磁波，只是波长有所不同。理想条件

【参考文献】